基于SCA100T的倾角测量系统设计

引言
    目前，业内对倾角的测量多是基于MEMS的加速度传感器，SCA100T是由芬兰VTI公司推出，采用三维MEMS技术开发的一款高精度双轴倾角传感器，可同时测量相对于水平面的倾斜和俯仰角度，具有温度补偿功能。本文以塔式起重机为应用背景，采用SCA100T倾角传感器实时采集倾斜信息，检测塔式起重机支撑架的平衡性能，避免由于其过度倾斜而引发事故。以SCA100T为基础设计了一款小巧、灵敏度高的倾角测量系统，分析了SCA100T倾角传感器测角的原理，给出了系统各个模块的软硬件设计方法，同时提供了两种具有可扩展性的应用方法。

1 整体设计
    图1所示为本系统的整体结构框图。该系统采用ATmega8单片机控制SCA100T倾角传感器实时检测平台的倾角变化，将传感器输出的数字量进行换算后，转换为实际的倾角值。用户可以根据需要设置警界倾角值和预定平台水平位置，倾角信息可通过LCD实时显示或通过串口输出到上层控制器中。当倾角信息超过预置的警界倾角值时，系统开始报警，表现为蜂鸣器报警和LED灯闪烁。

    系统根据输出方式的不同分为两种应用方式：一种是作为独立系统使用，固定在待测平台上；另一种是将该系统作为一个倾角采集模块，挂接在其他电路中使用。前者采用LCD1602实时显示倾角信息，采用串口超级终端预设倾角警界值和水平位置；后者通过串口输出倾角信息，允许软件编程通过发送串口命令进行配置。配置信息均保存在ATmega8单片机内部的EEPROM中。

2 倾角测量原理
    本文选用的SCA100T的测量范围为±30°，其内部包含硅电容感应元件、EEPROM存储器、信号调理电路、A／D转换器、温度传感器和SPI传输接口等，SCA100T功能框图如图2所示。该传感器具有X、Y两个通道，分别用来测量倾斜和俯仰的加速度，每个通道具有自测试系统，可内部产生一个静电力来校验全部的信号通道。信号输出有SPI数字信号输出和模拟电压信号输出两种方式，同时可输出温度信息进行温度补偿。

    SCA100T的测角原理为：通过测量静态重力加速度的变化，将其转换成倾角变化。SCA100T的硅电容感应元件由3层硅片构成，形成立体结构，当发生倾斜时，中间质量片会倾向某一侧，从而使两侧的电容发生变化。通过电压值可反映相应的加速度值，进而可计算角度值。图3所示分别为X轴与Y轴的倾角变化情况(X／Y是从倾斜方向来划分的)，以X轴为例，其加速度值与重力加速度之间的关系为：
    Ax=g·sina→α=arcsin(Ax／g)
    其中，Ax表示X轴测出的加速度值，g表示重力加速度值，α为X轴倾角。

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3 系统硬件设计
    系统的整体硬件电路如图4所示。系统采用SCA100T的SPI接口来读取输出信息，可避免额外的A／D采样。由于ATmega8具有1路SPI中断，因此可直接将传感器作为从器件接到单片机的SPI接口上。系统通过控制三极管的开通与关闭来控制蜂鸣器和LED指示灯的导通与关闭，从而达到报警的功能。把ATmega 8单片机的PD2引脚接到三极管的基极，正常工作时将PD2置低电平。当发生报警时，将PD2置高电平，此时三极管导通，蜂鸣器发出响声，LED指示灯变亮。

    系统采用LCD1602字符型液晶模块来显示倾角信息，该模块可同时显示两行字符，分别为X轴与Y轴倾角信息。模块通常采用HD44780芯片具有标准的16条引脚线。对于串口传输，系统采用TTL电平和RS232两种输出方式，单片机输出的TTL，电平可经过MAX232芯片转换后变为RS 232信号，通过标准串口线与上位机通信。
    采用哪种串口输出方式取决于工作方式。当采用串口超级终端对系统进行预置时，需要用短路块将ATmega8单片机的TTL输出接到MAX232芯片的TTL输入端；当采用软件编程方式时，可直接将ATmega8单片机的TTL输出接到其他电路的TX／RX端，作为其外围电路使用，此时需要注意波特率的设置。
    另外，系统设计了模式选择功能，将ATmega8单片机的PB0和PB1引出，前者用于选择是否采用LCD显示，后者用于选择是否进入串口超级终端配置模式。正常工作时，这两个引脚为高电平，表示选择串口超级终端配置模式，允许通过串口软件编程；当用短路块将PB0接地时，表示选择LCD显示方式；当PB1接地时，表示进入串口超级终端，并对系统进行预置。

4 系统软件设计
    系统整体的软件流程如图5所示。系统上电后，单片机首先对引脚初始化，设置SPI模式，开SPI和串口中断。如果选择了LCD显示功能，还需要对LCD控制引脚进行初始化，显示初始化信息。然后根据是否选择了串口超级终端配置功能，决定下一步操作。

    当该功能被选中时，系统进入超级终端处理程序，首先向PC端超级终端发送提示字符，等待用户选择和输入预设数据，收到相关数据后，将其反馈给PC端显示，同时进行预设处理，并将预设的数值写入EEPROM。当未选中该功能时，系统进入正常的工作状态，如果发生串口中断，则进入串口处理程序，根据收到串口数据帧是预设命令还是请求数据进行不同的处理。前者则将预设数值写入EEPROM，若是后者则将倾角信息上传给上层控制器。如果没有发生串口中断，则主程序通过SPI接口采集传感器输出的加速度数字量，并将其转换为实际倾角信息，判断倾角是否超过预设角度值。如果超过则开始报警，同时如果选中了LCD显示功能，还需要通过并口将数值输出到LCD1602显示。

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4．1 传感器数据采集与计算
    对于传感器采集，当CSB引脚为低电平时有效，允许传输数据。数据在传输时，高位在前，低位在后。MISO线上的数据在SCK下降沿传输，MOSI线上的数据在SCK上升沿传输。加速度数据量SPI传输时序如图6所示。单片机首先通过MOSI线向传感器发送一个(组)命令，传感器在接收到完成命令后，开始连续传输数据。这里的命令为8位信息，加速度数据量为11位信息，常用的命令有RDAX(0001，0000)和RDAY(0001，0001)，分别表示读取X／Y轴加速度数据量。

    传感器输出的X轴与Y轴加速度信息均为11位数字量，其范围为0～2 048，零度位置对应的数据量为1 024。根据下述公式可将输出的加速度数字量转换为实际倾角值：
   
    其中，Dout表示X／Y轴输出的数字量；Dout@0°表示零度偏移量(即1 024)；Sens表示传感器灵敏度，由VTI厂商提供，对于SCA100T倾角传感器，该值为1683；α’表示预设的平台水平角度，默认为0。
4．2 串口命令
    图7为串口与单片机通信的数据帧格式。图中每帧有16个字节，开始两个字节是帧头(0xFFAA)，接着是两个字节的数据类型，其类型主要有3种：请求数据(0x0001)、预设警界角度(0x0010)、预设水平角度(0x0011)。然后是10个字节的数据位，通常数据位为2个4字节的数据(整形或浮点型)，为了避免出现数据对齐问题，在后面加入两个值为0的字节。最后是两个字节的校验位，采用CRC-16进行校验。

    数据发送由上层控制器主动发送，倾角测量系统被动响应。当上层控制器向单片机发送数据请求时，其数据位置0；系统收到请求命令后，将倾角信息填入数据位，发送给上层控制器。当上层控制器向单片机发送预设警界倾角值时，将预设角度值填入数据位；单片机收到后，将数据写入EEPROM中并发送反馈，反馈帧以同样的类型发送，但是数据位填入全0。当上层控制器向单片机发送预设水平角度值时，其操作类似预设警界倾角值，只是类型不同。
4．3 串口超级终端模拟
    在Windows XP或是Windows 2000操作系统下，在开始→菜单＼程序＼附件＼通信下可以看到“超级终端”，这是Windows自带的通信终端工具。在超级终端里输入字符时，会自动发送出去，但是如果没有反馈，是不会显示输入的字符信息的。因此，模拟超级终端需要做两件事：一是接收用户在超级终端里输入的字符；二是将输入的字符反馈回来，供用户查看。采用超级终端的方法可以避免用户直接使用命令操作的过程，所有的命令对用户来说都是透明的，用户只需要根据提示信息，输入相关信息即可完成预设配置工作。图8所示为预设配置示意图。

结语
    本文以塔式起重机为应用背景设计了这款倾角测量系统，系统在实际应用中工作良好，达到了预期的效果，能实时监测塔式起重机支架的平衡性，对预防建筑施工事故起到了重要的作用。系统探讨了SCA100T传感器的使用方法，在设计时考虑了两种应用方式，对于系统的扩展起到了很好的作用；同时，模拟了串口超级终端来配置系统信息，以此来替代小键盘。